量子芯片，終于有用武之地了

“想象一下，一個可以放在你手掌中的芯片，卻能夠解決當今地球上所有計算機加起來都無法解決的問題。”這是今年年初，微軟發(fā)布Majorana 1 量子芯片時，其CEO薩提亞納德拉（Satya Nadella）在社交媒體上的發(fā)言，他提到該芯片的突破“將使人們能夠在幾年內(nèi)創(chuàng)造出真正有意義的量子計算機，而不是像一些人預(yù)測的幾十年內(nèi)”。

但是量子芯片也好，量子計算機也罷，到底能干什么？能對人類現(xiàn)在的生活有什么提升？谷歌已經(jīng)嘗試給出回答。

01

量子優(yōu)勢照進現(xiàn)實

當我們說到量子，你會想到什么？量子的糾纏，還是量子傳說中的計算能力？

沒錯，量子計算機的速度遠超一般的電腦、手機或當代最強超級計算機，因為它用的不是現(xiàn)在GPU等AI芯片、數(shù)據(jù)中心以及手機電腦等經(jīng)典計算都使用的比特，而是量子比特（qubit），即量子位，它能夠同時處于0和1的疊加狀態(tài)。

這意味著量子比特可以比經(jīng)典比特同時表示更多信息，從而算力更高、速度更快，在因數(shù)分解等部分問題上，量子計算能指數(shù)級地提升計算效率。

但在量子計算誕生之前，我們更熟悉的名詞應(yīng)該是“量子力學(xué)”，它才是量子計算得以誕生的物理學(xué)理論基礎(chǔ)，也與它本次首次現(xiàn)實應(yīng)用有莫大關(guān)聯(lián)。

量子力學(xué)是研究微觀世界的物理學(xué)理論，此處的微觀世界是指小于一個原子的空間，其中有粒子、光子、電子、中子、質(zhì)子等物質(zhì)，它們都遵從量子力學(xué)。但“量子”一詞只是一個概念，并非特指一個物體，它原本是指光里面的一份一份的能量，后來所有遵從量子力學(xué)的東西都被叫作量子。

重點在于，遵循量子力學(xué)的微觀世界與遵從牛頓力學(xué)的宏觀世界大相徑庭。

在牛頓經(jīng)典理論框架下，一切事物都有明確的性質(zhì)，你是靜止還是運動，一目了然；而量子力學(xué)中最著名的原理之一是“海森堡不確定性原理”。

在量子世界里，物體的位置和動量無法被同時測準，粒子不存在一個確定的狀態(tài)，不具有固定的位置或能量等，它可以處于一切可能的狀態(tài)和位置。因此，量子物體在本質(zhì)上是概率性的，科學(xué)家需要計算物體處于不同狀態(tài)中的概率。

還有個經(jīng)典理論“量子糾纏”——在許多文藝作品中它常常會作為“神秘力量”而出現(xiàn)。

以雙粒子為例，當兩個同時處于疊加態(tài)的粒子發(fā)生糾纏時，會形成一個雙粒子的疊加態(tài)：無論兩個粒子相距多遠，哪怕一個在地球，另一個在月球，只要沒有外界干擾，當A粒子處于0態(tài)時，B粒子一定處于1態(tài)，反之亦然。

這種相隔甚遠的兩個物體可以瞬間影響彼此狀態(tài)的奇妙現(xiàn)象聽上去不可思議，但卻都在幾十年內(nèi)經(jīng)過實驗反復(fù)驗證過，學(xué)界甚至認為，量子力學(xué)可以稱為有史以來最為嚴謹?shù)目茖W(xué)理論。

既然我們知道兩個粒子之間的變化可能，那當無數(shù)個粒子糾纏在一起時，會發(fā)生什么更復(fù)雜、更奇妙的事情？谷歌正在利用最先進的量子技術(shù)去探索和量化“量子力學(xué)”本身在復(fù)雜系統(tǒng)中表現(xiàn)出的新現(xiàn)象和新規(guī)律，并為現(xiàn)實問題提出新解法。

02

量子世界的“時間倒帶”

把一杯清水和一杯墨水混合后，它們能瞬間自動分離，變回一杯清水和一杯墨水嗎？還是那句話，在遵從牛頓力學(xué)的宏觀世界里這是天方夜譚，但在量子世界中，“時間倒帶”是可行的。

最近谷歌量子團隊的最新研究成果登上了《自然（Nature）》的封面，團隊提出“量子回聲”（Quantum Echoes）演算法，并第一次在實際可驗證的任務(wù)中展現(xiàn)出量子優(yōu)勢。

科學(xué)家其實一直想用電腦模擬分子的結(jié)構(gòu)或形狀，這是研究化學(xué)、生物學(xué)和材料科學(xué)的基礎(chǔ)，這方面的進步支持著從生物技術(shù)、太陽能到核融合等領(lǐng)域的發(fā)展。

科學(xué)家一般用核磁共振（NMR）來觀察分子結(jié)構(gòu)，它就像一個分子顯微鏡，強大到足以讓人類看到原子的相對位置，幫助我們理解分子的結(jié)構(gòu)。但是有些分子里的量子糾纏實在太復(fù)雜，哪怕用NMR也看不清大型分子中遠距離原子的互動，信號會糊成一團。哪怕給超級計算機也得算個幾萬年。

谷歌首席執(zhí)行官桑德爾·皮查伊（Sundar Pichai）與量子計算系統(tǒng)

谷歌量子團隊就想出一個辦法，他們在自家的量子芯片“Willow”上，先對某個量子比特下指令，就像在山谷里大喊一聲作為標記；接著就讓整個量子系統(tǒng)自然而然地演化，讓這個“聲音標記”，也算是某種量子信息標注，像漣漪一樣擴散開來。

等演化到一半，研究人員會去戳一下遠處的量子比特，制造出一些干擾，就像好好一個空間內(nèi)突然有人敲了一聲鼓。

再回憶一下重點：量子計算機有時間倒帶的能力！因此在上述干擾出現(xiàn)后，研究人員會模擬時間倒流，把已經(jīng)擴散開去的量子信息標注重新聚焦回來，這一過程仿佛時間按下了倒帶鍵。最后研究人員要去檢查最初被下指令的量子比特，看它有沒有變化——這么說來像不像一個物理實驗？

沒錯，這種“量子回聲”演算法代表的正是一種新形態(tài)的挑戰(zhàn)。經(jīng)典計算機可沒有量子計算機這種獨特的物理特性。最厲害的是，研究團隊能讓這種量子系統(tǒng)先正向演化，然后施加一個操作，再反向演化的“演化—擾亂—倒帶”流程來回跑好幾次。

另一個值得注意的是，這個“量子回聲”非常特別，因為它會被“建設(shè)性干涉” 放大，這是一種量子波疊加后變得更強的現(xiàn)象，這使得團隊的測量結(jié)果更精準。

不過大家還是會一頭霧水：“這到底是要研究什么？”其實也很簡單，就是量子比特的最初標記能不能完美復(fù)現(xiàn)。如果能，那就說明中途的干擾沒有任何影響；如果“回聲”變了，那變化的程度就是要測的物理量，叫作 “非時序關(guān)聯(lián)函數(shù)（OTOC）”。

03

充當“超精密分子尺”

破解現(xiàn)實瓶頸

研究團隊用65個量子比特，跑了23次OTOC測算，速度比目前最強超級電腦“Frontier”快了13000倍。它確實很厲害，但是該怎么用到分子結(jié)構(gòu)模擬上呢？

前面也提到過NMR有點“近視”，對于它看不清的部分，“量子回聲”就要充當“超精密分子尺”。

簡單來說，研究團隊把量子計算機當作一個“可調(diào)節(jié)”的分子模型，而OTOC則像是一個精密的“探測器”。通過使用OTOC，研究團隊可以精確測量出量子系統(tǒng)對微小擾動的響應(yīng)，并將這種“回聲”與真實分子系統(tǒng)內(nèi)的反應(yīng)進行比較。

通過不斷調(diào)整量子模型的參數(shù)，直到它的“回聲”與真實分子的“回聲”完全一致，就能確認量子計算機已經(jīng)成功地復(fù)現(xiàn)了目標分子的量子行為。

這種方法使得研究者可以用量子計算機更加精確地模擬和理解復(fù)雜的分子系統(tǒng)。舉個例子，固態(tài)電池研究難點之一就是不知道固態(tài)電解質(zhì)與電極材料接觸后發(fā)生的具體變化，如果“量子回聲”演算法能測量更復(fù)雜的變化，將會真正解決這一難題。

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編輯｜張毅

主編｜黎坤

總編輯｜吳新

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